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1、产品的热设计基础 (初级版) 李泉明李泉明 *1 介绍 v为什么要进行热设计？ 高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老 化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。 温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会 降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的 性能下降， 一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度 过高还会造成焊点合金结构的变化IMC增厚，焊点变脆，机械 强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加， 导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失 效。 Date2 介绍 v热设计的目的 控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所
2、处的 工作环 境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度 的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求 以及分配给每一个元器件的失效率相一致。 v在本次讲座中将学到那些内容 热设计的基本理论、基本数据、设计原则、测试方法及相关 测试仪表。 Date3 授课内容 v 热设计的基础知识 30分钟 v 热设计的基本要求及一般设计准则 30分钟 v 风扇的基本知识 15分钟 v 热界面材料 10分钟 v 热设计验证方法 25分钟 v 热设计的验证标准 10分钟 Date4 概述 v热设计的基础知识：热设计基本概念与术语、散热的 基本方式、热电模拟法、热路及热网络 v 热设计的基
3、本要求及一般设计准则：通过实例分析， 讲述热设计的设计要求及准则。 v 风扇的基本知识：风扇的选型方法，应用准则。 v 热界面材料：热界面材料的种类、选型准则。 v 热设计验证方法：热测试相关的仪器/仪表的特点/及使用 场合/注意事项、如何减少热测试误差的方法及注意事项。 v 热设计的验证标准：热设计的验证标准。 Date5 热设计的基础知识 v热设计的基本概念 热特性：设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力 和流量分布特征。 导热系数： 表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位 面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.。 对流换热系数：反映两种介质间对流换
4、热过程的强弱，表明当流体 与壁面的温差为1 时，在单位时间通过单位面积的热量，单位 为W/m2.K或W/m2.。 热阻：热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热 能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为/W或 K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类 。 Date6 热设计的基础知识 v热设计的基本概念 流阻： 反映流体流过某一通道时所产生的压力差。单位帕斯卡或 mm.H2O或巴 。 定性温度：确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。 肋片的效率：表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样 条件下光壁所能传递的热量之比 黑度：实际物体的辐射力和同温度下
5、黑体的辐射力之比，它取决于 物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。 雷诺数Re(Reynlods)：雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与 粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。 Date7 热设计的基础知识 v热设计的基本概念 格拉晓夫数Gr(Grashof)：反映了流体所受的浮升力与粘滞力的 相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，Gr越大 ，表面流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。 通风机的特性曲线：指通风机在某一固定转速下工作，静压、 效率和功率随风量变化的关系曲线。 系统的阻力特性曲线 ：是指流体流过风道所产生的压力随空气 流量变化的关系曲线，与流
6、量的平方成正比。 通风机工作点： 系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交 点就是风机的工作点。 Date8 热设计的基础知识 v热设计的基本概念 温度稳定：当设备处于工作状态时，设备中发热元器件表面温度每 小时变化波动范围在1内时，称温度稳定。 设备外部环境温度：设备达到稳定温度时距离设备各主要表面几何 中心80mm处空气温度按各表面积的加权平均值。 机柜/箱表面温度：设备达到稳定温度时各主要外表面几何中心点上 温度的平均值。 热点：元器件、散热器和冷板的各个局部表面温度最高的位置。热 点器件指单板上温度最高和较高的器件。 温升：元器件表面温度与设备外部环境温度的差值。用符号t表示 。 D
7、ate9 热设计的基础知识 v热设计的基本概念 温度与温升的区别：温度是量化介质热性能的一个指标，是一个绝 对概念；温升是指介质自身或介质间温度的变化范围，它总是 相对于不同时刻或同一时刻的另一介质，是一个相对概念。 层流与紊流(湍流)：层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系 数小，流阻小；紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热 系数大，流阻大。 风道的局部阻力与沿程阻力：局部阻力指由于风道的截面积发生变 化而引起的压力损失； 沿程阻力指由于流体粘性而引起的压力 损失。 表征温度的方式： 表征介质温度的方式有三种：摄氏温度，绝对温 度，华氏温度，它们的换算关系如下： TK273Tc, Tc
8、=5(TF-32)/9 Date10 热设计的基础知识 v散热的基本方式 热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现， 也可能两种或三种形式同时出现 导热的基本方程： QF导 t/=t/R导 - 导热系数，W/m.K或W/m.; F导- 导热面积，m2 T- 温差，; R导- 导热热阻, /W； - 厚度(m) Date11 热设计的基础知识 对流的基本方程： QF对t=t/R对 - 对流换热系数，W/m2.K或W/m2.; F对- 有效对流换 热面积，m2； T- 温差，; R对流- 对流热阻, /W 辐射的基本方程： Q5.6710-812f12F辐射(T14-T24) 12-
9、 系统黑度，121/(1/1+1/2-1) 1，2-分别为物体1和物体2的黑度; f12- 角系数 F辐射 -物体的辐射面积，m2; T1, T2-分别为物体1和物体2 的绝对温度，K v散热的基本方式 Date12 热设计的基础知识 v热电模拟法 热电模拟法：用电气工程师熟悉的电路网络表示方法来处理热设计 问题，将热流量(功耗)模拟成电流；温差模拟成电压(或电位差) ；热阻模拟成电阻，热导模拟成电导；热容模拟成电容。温度( 温差) 是引起热流量传递的“电位”；恒温热源等效于理想的恒压 源；恒定的热流源等效于理想的电流源。热沉等效于“接地”或“ 地线”，所有的热源和热回路均与其相连，形成热电模
10、拟网络， 导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。 热阻的串联与并联：等效于电路的串联与并联， 串联的热阻为个部分热阻之和 并联的热阻的倒数等于各部分热阻的倒数之和 。 Date13 热设计的基础知识 v热电模拟法 Date14 热设计的基础知识 v热路及热网络的案例分析 热阻的串联 热阻的并联 Date15 热设计的基础知识 v热设计的基础数据 常用材料的导热系数 Date16 热设计的基础知识 v常用PCB基材的导热系数及热膨胀系数 Date17 热设计的基础知识 v单位换算 Date18 热设计的基本要求及设计准则 v热设计的实施过程 Date19 热设计的基本要求及设计准则 v元器
11、件的散热途径 Date20 热设计的基本要求及设计准则 v 功率器件的选择原则 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用允许结温Tj高的功率 器件（根据供应商手册提供的数据进行筛选）；在其它性能参 数相同的情况下，应优先选用结壳热阻Rjc较小的功率器件(根据 供应商手册提供的数据进行筛选）。 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用传热面较大的功率 器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）,以减小功率器件与 散热器间的接触热阻Rcs。 对于MOSFET器件,在的结壳热阻RJC相近的条件下,应优先选用 25下RD(ON)较小的器件。 对于IGBT器件, 在的结壳热阻RJC相近的条件下,应优先选用相同
12、 门极电阻下开关能量较小的器件。 Date21 热设计的基本要求及设计准则 v功率器件的结温计算 如果已知道散热器台面温度Ts , 则器件的工作结温为： Tj=Ts+ PTRth(j-s) 如果已知散热器的热阻，环境温度，则器件的工作结温为： Tj=Ta+ PTRth(j-a) Date22 热设计的基本要求及设计准则 vPCB的热设计的基本准则之一：加散热铜箔和采用 大面积电源地铜箔 Date23 热设计的基本要求及设计准则 vPCB的热设计的基本准则之二：散热焊盘由过孔连 接到内层夹心层进行散热和热平衡 Date24 热设计的基本要求及设计准则 vPCB的热设计的基本准则之三：增大散热面积
13、及对 流 Date25 热设计的基本要求及设计准则热设计的基本要求及设计准则 vPCB的热设计的基本准则之四：CTE的补偿： v利用弹性材料和焊点作缓冲，减小CTE失配带来 的影响； v选用有引脚器件。 Date26 热设计的基本要求及设计准则热设计的基本要求及设计准则 vPCB的热设计的基本准则之五：焊盘的隔热设计 Date27 热设计的基本要求及设计准则热设计的基本要求及设计准则 vPCB的热设计的基本准则之六：PCB布局设计 应将不耐热的元件(如电解电容器)放在靠近进风口的位置， 而将本身发热而又耐热的元件(如电阻,变压器等)放在靠近 出风口的位置。 应将功率大、发热量大的元器件放在出风
14、口的位置。 当元器件的发热密度超过0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿 及元器件本身不足充分散热，应采用散热网、汇流条等措施。 Date28 热设计的基本要求及设计准则热设计的基本要求及设计准则 vPCB的热设计的基本准则之七：大功率、热敏器件 的要求 Date29 热设计的基本要求及设计准则热设计的基本要求及设计准则 vPCB的热设计的基本准则之八：元器件间距 Date30 热设计的基本要求及设计准则热设计的基本要求及设计准则 v PCB的热设计的基本准则之九：元器件安装应尽量减少元器 件壳与散热器表面间的热阻，即接触热阻。 采用短通路，尽可能避免采用导热板或散热块把元器件的热量引到散热 器
15、表面，而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的 散热措施。 为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用 的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。 对器件须与散热器绝缘的情况，采用的绝缘材料应同时具有良好的导 热性能，且能够承受一定的压力而不被刺穿。其接触热阻的大小因使用 条件不同（如紧固压力及接触面积等）而不同。 把器件装配在散热器上时，应严格按照数据手册中提供的安装压力或力 矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件。 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上。 对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电 阻。这些小孔就是热通路或称热道。 当利用接触界面导热时，采用下列措
